1
ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΔΥΤΙΚΗΣ ΑΤΤΙΚΗΣ TΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ EΝΙΣΧΥΣΗ ΧΑΛΥΒΩΝ ΜΕ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΤΟΞΟΥ .
PARTICLES SURFACE RUINFORCEMENT OF STEELS VIA GTAW TECHNIQUE.
ΜΩΡΑΚΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ-Α.Μ. 40242 ΚΑΡΜΠΑΔΑΚΗΣ ΘΟΔΩΡΗΣ-Α.Μ. 40576
ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: Δρ. ΨΥΛΛΑΚΗ ΠΑΝΔΩΡΑ ΣΥΝΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: κ. ΜΟΥΡΛΑΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ , ΜsC
Αιγάλεω, Ιούλιος 2018
2
Περίληψη.
Η παρούσα πτυχιακή εργασία αφορά στη μελέτη της επιφανειακής βελτίωση χαλύβων μέσω της συγκόλλησης. Η συγκόλληση GTAW είναι μία μέθοδος κατά την οποία το ηλεκτρικό τόξο σχηματίζεται μεταξύ ενός μη-αναλισκόμενου ηλεκτροδίου από βολφράμιο (W) και του προς συγκόλληση μετάλλου.
Στην πτυχιακή εργασία πραγματοποιήθηκε θεωρητική μελέτη της τεχνικής αυτής και βιβλιογραφική ανασκόπηση από δημοσιεύσεις ερευνητών ,οι όποιοι παρουσιάζουν μελέτες επιφανειακής ενίσχυσης δοκιμίων με σωματίδια .
Αναλύσαμε και συγκρίναμε αποτελέσματα και συμπεράσματα των ερευνητών.
Σκοπός της εργασίας αυτής ήταν να κατανοήσουμε τις βασικές θεμελιώδεις αρχές, τις παραμέτρους που επηρεάζουν τη διαδικασία συγκόλλησης της μεθόδου, να αναγνωρίζουμε πιθανά σφάλματα στην συγκόλληση ώστε να είμαστε σε θέση να προτείνουμε πιθανές λύσεις, που θα συνεισφέρουν στη βελτιστοποίησή της.
Λέξεις κλειδιά: συγκόλληση, συνδετικό μέσο, σκόνη εναπόθεσης, παράμετροι που επηρεάζουν τη μέθοδό, εξέλιξη τεχνικής
3
Ευχαριστίες.
Με την ολοκλήρωση της πτυχιακής μας εργασίας, θα θέλαμε να εκφράσουμε τις πιο θερμές ευχαριστίες μας, στην επιβλέπουσα, Δρ. Πανδώρα Π. Ψυλλάκη καθηγήτρια, του τμήματος μηχανολογίας Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής και τον κύριο Αθανάσιο Γ. Μουρλά, εργαστηριακό συνεργάτη του τμήματος μηχανολογίας Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής, για την συνεχή ενθάρρυνση, κατανόηση και υποστήριξη που μας έδειξαν αλλά και για την άρτια επιστημονική καθοδήγηση που είχαμε καθ’ όλη τη διάρκεια της συνεργασίας μας.
Τέλος, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τις οικογένειες μας, για την αμέριστη υποστήριξη και υπομονή που έδειξαν σε όλο το χρονικό διάστημα των σπουδών μας, που στάθηκαν διακριτικά στο πλευρό μας, σε κακές και καλές στιγμές.
Εκφράζουμε τις θερμότερες ευχαριστίες μας τόσο για την ηθική τους συμπαράσταση, όσο και για την υλική τους υποστήριξη και τους αφιερώνουμε αυτή την πτυχιακή εργασία.
4
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
ΠΕΡΙΛΗΨΗ………...2
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ………..3
ΠΕΡΙΕΧΟΝΕΝΑ………..….4
ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ………7
ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ………9
ΕΙΣΑΓΩΓΗ………..………10
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ……….………...11
1.1 Τεχνολογία ηλεκτρικού τόξου GTAW ………...11
1.2 Περιγραφή της μεθόδου……….…..12
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ……….…….14
2.1 Διάταξη και μέρη της μεθόδου GTAW………..14
2.2 Περιγραφή παραμέτρων της μεθόδου συγκόλλησης GTAW……...19
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΒΕΛΤΙΩΣΗ...34
3.1 Επιφανειακή βελτίωση χάλυβα κατασκευών και η έννοια της επιφανειακής ενίσχυσης………..34
3.2 Σκοπός επιφανειακών κατεργασιών………34
3.3 Ταξινόμηση των επιφανειακών κατεργασιών……….36
3.4 Επικαλύψεις με θερμικό ψεκασμό………..35
3.5 Επικαλύψεις με ακτινοβολία LASER. ………38
3.6 Επικαλύψεις με ηλεκτρική ενέργεια. ……….38
3.7 Επικαλύψεις με πλάσμα………..43
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΜΕ ΔΕΣΜΗ GTAW……..45
4.1 Eπιφανειακή βελτίωση χάλυβα με συνδετικό υλικό πυριτικό άλας νατρίου και GTAW………..……….45
4.1.1.Επιφανειακη βελτίωση με απλή προαναπόθεση σκόνης FeCrBSi………...45
5 4.1.2. Επιφανειακή βελτίωση AISI 1045 με σκόνη FeCrBSi και ξήρανση με ζεστό αέρα……….47 4.1.3 . Επιφανειακή βελτίωση ΑΙSI 1020 με σκόνη FeTi και ξήρανση με ζεστό αέρα……….49 4.1.4. Επιφανειακή βελτίωση AISI 1045 με πάστα σκόνης FeTi και συνδετικού υλικού………...51 4.1.5.Επιφανειακη βελτίωση με σκόνες σιδηρομαγγανίου, σιδηροχρωμίου και καρβιδίου του τιτανίου………53 4.2 Επιφανειακή βελτίωση σιδήρου με δέσμη GTAW και συνδετικό μέσο είδη
αλκοόλης………..…54 4.2.1. Επιφανειακή βελτίωση χάλυβα 4340 με σκόνη WC………54 4.2.2.Επιφανειακη βελτίωση με σκόνη υπερευτηκτικού κράματος άνθρακα………56 4.2.3.Επιφανειακη βελτίωση σε ανοξείδωτο χάλυβα AISI 304 με σκόνη CoCrFeMnNbNi………..……58 4.2.4. Επιφανειακή βελτίωση χάλυβα με σκόνη TiC……….60 4.3Επιφανειακή βελτίωση χάλυβα με συνδετικό μέσο οξικό πολυβινύλιο, σκόνη TiC και δέσμη GTAW………..……61 4.3.1.Επιφανειακη βελτίωση μαλακού χάλυβα με επίστρωση τιτανίου- αργιλίου………..…….61 4.3.2.Επιφανειακη βελτίωση χάλυβα με σκόνη εμπορικού τιτανίου καθαρότητας 99.97% ………63 4.3.3. Επιφανειακή βελτίωση χάλυβα με σκόνη TiC……….65 4.3.4.Επιφανειακη βελτίωση χάλυβα με σκόνη TiC συμπεριλαμβανομένης μπάλας αλουμίνας στα πειράματα τριβής………..…..68 4.4.Επιφανειακη βελτίωση χάλυβα με σκόνη τιτάνιου και δέσμη GTAW………..70 4.4.1.Επιφανειακη βελτίωση με προ-επεξεργασμένες σκόνες Ti3Al TiAl……….…70 4.4.2. Επιφανειακή βελτίωση χάλυβα με πελέτα τιτάνιου CP-Ti... 71 4.4.3. Επιφανειακή βελτίωση χάλυβα με διαφορετικά κλάσματα μάζας σκονών Fe και Ti + B4C………...74
6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ……….…….75 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ………...77
7
ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ.
1.1. Σχηματική αναπαράσταση μεθόδου TIG-GTAW……….8
1.2. Διαδικασία χειρωνακτικής συγκόλλησης GTAW με τη χρησιμοποίηση πρόσθετου υλικού……..9
2.1. Τομή υδρόψυκτου πιστολιού συγκόλλησης GTAW………...11
2.2. Επίδραση του είδους του προστατευτικού αερίου στην διαμόρφωση του κορδονιού κατά τη συγκόλληση GTA………....14
2.3. Η πορεία εναλλαγής της έντασης ρεύματος συγκόλλησης GTA με παλμικό ρεύμα……….17
2.4. Διαφορά συχνότητας ρεύματος ,50 και 120 HZ………..…25
2.5. Παλμικό ρεύμα υψηλής συχνότητας σε μετωπική και κάθετη συγκόλληση………..……26
2.6. Προεξοχή του ηλεκτρόδιου βολφραμίου………28
2.7. Μήκος τόξου α=d………29
2.8. Διάγραμμα που δείχνει πως επιδρά στην τάση και στην ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος η μεταβολή της απόστασης του καυστήρα. ………..29
3.1. Ταξινόμηση βασικών τεχνολογιών συγκολλήσεων με εναπόθεση επιστρώσεων……….32
3.2. Διαδικασία αναγόμωσης με επενδεδυμένο ηλεκτρόδιο : 1- πυρήνας, 2-επενδυση,3- προστατευτικη ατμόσφαιρα αερίου, 4-ρευστη σκουριά, 5- λουτρό συγκόλλησης ,6- σκουριά ,7- επίστρωση………35
4.1. Πέρασμα που παράγεται στην επιφάνεια του δείγματος με προπληρωμένο πάχος: (α) 1,5 mm και (b) 2,0 mm………..…45
4.2. Διάγραμμα μικροσκληρότητας και βάθος περάσματος………46
4.3. Διάγραμμα μικροσκληρότητας και πάχους προπληρωμένης σκόνης……….48
4.4. Διάγραμμα φθοράς απλού συμβατικού χάλυβα και επιβελτιωμένου χάλυβα……….…50
4.5. Διάγραμμα φθοράς συμβάτικού χάλυβα και των επιβε.λτιωμένων δοκιμίων………...…53
4.6. Εικόνες μικροσκοπικού ελέγχου βάσης μετάλλου και της τιγμένης επιφάνειας.………55
4.7. Διάγραμμα σκληρότητας δοκιμίων και φθοράς………..…...57
4.8. Διάγραμμα φθοράς δοκιμίων προς το φορτίο…….………...…………56
4.9. Διαγράμματα φθοράς και μικροσκληρότητας δοκιμίων βάση φορτίου……….….58
4.10. Διάγραμμα που δείχνει την μικροσκληρότητα από την επιφάνεια περάσματος………...60
4.11. Διάγραμμα μικροσκληρότητας προς βάθος περάσματος………62
4.12. Διάγραμμα σκληρότητας και βάθους περάσματος βάση των διαφορετικών ενεργειών………63
4.13. Διάγραμμα σκληρότητας και βάθους περάσματος βάση των διαφορετικών ενεργειών………64
8 4.14. Διάγραμμα μικροσκληρότητας βάση της περιεκτικότητας σκόνης………...…..66
4.15. Διάγραμμα φθοράς δοκιμίων………..…...69
4.16. Διάγραμμα που δείχνει την σκληρότητα ανάλογα με το βάθος περάσματος……….71
4.17. Διαγράμματα σκληρότητας των διαφορετικών περασμάτων ανάλογα με το βάθος του
περάσματος………...72
4.18. Διαγράμματα σκληρότητας των διαφορετικών περασμάτων ανάλογα με το βάθος του
περάσματος………..72
4.19. Διάγραμμα μικροσληρότητας βάση του ποσοστού σιδήρου και βάθους από την επιφάνεια….74
9
ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ.
2.1. Επιλογή ηλεκτροδίου βολφραμίου………..18
2.2. Προτεινόμενες περιοχές των εντάσεων ρεύματος συγκόλλησης με τη μέθοδο GTAW,οι διαστάσεις του κωνικού άκρου του κραματωμένου ηλεκτροδίου και γωνία του κώνου ,κατά τη συγκόλληση με συνεχές ρεύμα με αρνητική πολικότητα στην ατμόσφαιρα αργού………33
4.1. Μεταβολή βάθους και πλάτους περάσματος βάση των διαφορετικών ενεργειών εισόδου……62
10
Εισαγωγή
Η ποικιλομορφία και η επιθυμία για ένα καλύτερο πρότυπο ζωής έχουν ως αποτέλεσμα τη συνεχή ανάπτυξη των τεχνολογιών παραγωγής. Σύμφωνα με αυτές τις εξελίξεις, στις υφιστάμενες τεχνολογίες παραγωγής, η ζήτηση για πιο περίπλοκα προϊόντα αυξάνεται. Έτσι, οδηγηθήκαμε με το πέρασμα του χρόνου στην ανακάλυψη νέων μεθόδων συγκόλλησης και στην εξέλιξη αυτών.
Στην παρούσα πτυχιακή εργασία θα ασχοληθούμε με την τεχνολογία της συγκόλλησης τόξου με αδρανές αέριο (GTAW) και την βιβλιογραφική ανασκόπηση μελετών που έχουν δημοσιευτεί στο διαδίκτυο σχετικά με την ενίσχυση δοκιμίων με σωματίδια με τη συγκεκριμένη τεχνική.
Η παρούσα μελέτη, εστιάζει στις μελέτες των ερευνητών, στην ιστορική αναδρομή της τεχνικής, στον τρόπο λειτουργίας της συγκεκριμένης μεθόδου, στα κατάλληλα εργαλεία, στις παραλλαγές της, στις εφαρμογές που βρίσκει στη βιομηχανία και στην εφαρμογή της σε κράματα χάλυβα.
11
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1
1.1Τεχνολογία ηλεκτρικού τόξου GTAWΗ συγκόλληση GTAW είναι μία μέθοδος κατά την οποία το ηλεκτρικό τόξο σχηματίζεται μεταξύ ενός μη-αναλισκόμενου ηλεκτροδίου από βολφράμιο (W) και του προς συγκόλληση μετάλλου. Η συγκόλληση προστατεύεται από συνεχή ροή αδρανούς αερίου. Στην λίμνη συγκόλλησης προστίθεται, εάν απαιτείται, πρόσθετο συγκολλητικό υλικό, που προέρχεται από μία ράβδο συγκόλλησης.
Στο σχήμα.1.1 φαίνεται η διάταξη της συγκόλλησης GTAW.Το αέριο προστασίας χρησιμοποιείται για την προστασία της συγκόλλησης από τον ατμοσφαιρικό αέρα και ειδικότερα από την αντίδραση του τηγμένου μετάλλου με το οξυγόνο και το άζωτο. Οι αντιδράσεις αυτές συνήθως οδηγούν στον σχηματισμό πόρων και εγκλεισμάτων που εξασθενούν την συγκόλληση. Στο σχήμα 1.2 φαίνεται η περιοχή της συγκόλλησης και η προστασία της λίμνης από το αδρανές αέριο. [2]
Το αέριο προστασίας τροφοδοτείται στην περιοχή της συγκόλλησης από τον πυρσό συγκόλλησης. Στις συγκολλήσεις GTAW το αέριο προστασίας είναι αργό (Ar) )ή ήλιο (Ηe).
Η χρήση του αργού είναι πιο διαδεδομένη λόγω της καταλληλότητας του για την συγκόλληση των περισσοτέρων μετάλλων και του μικρότερου κόστους σε σχέση με το ήλιο.Στην συγκόλληση GTAW δεν απαιτείται η χρήση επένδυσης (πάστας) ηλεκτροδίου.Έτσι αποφεύγονται όλα τα πιθανά προβλήματα που σχετίζονται με την χρήση της πάστας, όπως ο εγκλωβισμός της πάστας στην συγκόλληση, καθώς και ο καθαρισμός μετά το πέρας της συγκόλλησης.
12 Σχήμα 1.1 Σχηματική αναπαράσταση μεθόδου GTAW.
1.2 Περιγραφή της μεθόδου
Η τεχνολογία ηλεκτρικού τόξου, περιγραφόμενη με την ακρωνύμια TIG-GTAW ξεκίνησε το 1926 από τους M.Hobert και P.K.Devers στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής και αφορούσε τη συγκόλληση τόξου στην ατμόσφαιρα. Η ακρωνυμία TIG(Tungsten inert Gas) είναι η παλαιότερη ιστορικά αλλά περιλαμβάνει μόνο τα ευγενή αέρια.
Ενώ η ακρωνυμία GTA (Gas Tungstem Arc) όπου περιλαμβάνει τη συγκόλληση με όλα τα είδη προστατευτικών αερίων αδρανών και δραστικών, τώρα η συγκόλληση GTA είναι μια από τις βασικές διαδικασίες δημιουργίας κατασκευών,ιδιαίτερα με τους κραματομένους και τους ειδικούς χάλυβες, τα κράματα νικελίου, αλουμινίου, μαγνησίου, τιτανίου και με άλλα ενεργά και πυρίμαχα μέταλλα καθώς και κράματα με μεγάλο εύρος παχών.
Η συγκόλληση με την μέθοδο GTA μπορεί να διενεργηθεί με συνεχές, εναλλασσόμενο και παλμικό ρεύμα, χειρωνακτικά, ημιαυτόματα και αυτόματα σε συνθήκες μηχανουργικές και συναρμολόγησης,σε όλες τις θέσεις συγκολλήσεις. Οι μηχανές για τη συγκόλληση με τη μέθοδο GTA είναι φθηνές και εύκολες στον χειρισμό. Κατά τη διαδικασία συγκόλλησης τόξου με μη τηκόμενο ηλεκτρόδιο στην προστατευτική ατμόσφαιρα αερίου τήξη πετυχαίνεται η τήξη των συγκολούμενων αντικειμένων και του εναποτιθέμενου υλικού.
13 Το λουτρό του ρευστού μετάλλου σχηματίζεται χωρίς τη συμμετοχή συλλιπασμάτων, άρα είναι απαλλαγμένο από μη μεταλλικά εγκλείσματα στην κόλληση και στην επιφάνεια της, ενώ η τήξη του μητρικού μετάλλου και του εναποτιθέμενου υλικού πραγματοποιείται χωρίς αλλαγές στην χημική του σύνθεση. Συγχρόνως δεν έχει ακαθαρσίες του μέταλλου ,τυπικό άλλων διαδικασιών συγκόλλησης τόξου και η δυνατότητα προσθήκης του εναποτιθέμενου υλικού έξω από το τόξο επιτρέπει να γίνει ανεξάρτητα η ρύθμιση της γραμμικής ενέργειας του τόξου και η ποσότητα προσθήκης του εναποτιθέμενου υλικού στον χώρo.
Σχήμα 1.2 Διαδικασία χειρωνακτικής συγκόλλησης GTAW με τη χρησιμοποίηση πρόσθετου υλικού.
Η διέλευση του ρεύματος στο τόξο γίνεται στο ιονισμένο αέριο ενώ οι κύριοι μεταφορείς του ρεύματος είναι τα εκπεμπόμενα από τα άτομα προστατευτικού αερίου ηλεκτρόνια.Το άναμμα του τόξου διενεργείται με μικρής διάρκειας βραχυκυκλώματα του μη τηκομένου ηλεκτρόδιου με το αντικείμενο ή σε ειδικό πλακίδιο εκκίνησης και με γρήγορη επαναφορά.
14
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2
ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ
2.1 Διάταξη και μέρη της μεθόδου GTAW
Στο σχήμα 1.1 φαίνεται αναλυτικά ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται καθώς και η διάταξή του κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης GTAW.Η μηχανή ηλεκτροσυγκόλλησης GTAW είναι πιο πολύπλοκη και ο εξοπλισμός της έχει μεγαλύτερο κόστος από τις απλές ηλεκτροσυγκολλήσεις. Αποτελείται από μετασχηματιστή υποβιβασμού τάσης, ο οποίος τροφοδοτείται με εναλλασσόμενο ρεύμα. Το ρεύμα που δίνει για συγκόλληση είναι συνεχές ή εναλλασσόμενο.
Για την ομαλοποίηση του τόξου, η μηχανή φέρει πυκνωτές σε σειρά συνδεδεμένους με το κύκλωμα του ηλεκτροδίου. Φέρει δύο ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες οι οποίες ενεργοποιούνται όταν ο χειριστής πιέσει τον διακόπτη του πυρσού.
Με την ενεργοποίηση των βαλβίδων, παρέχεται προστατευτικό αέριο και υγρό ψύξης (νερό) για την ψύξη του ηλεκτροδίου βολφραμίου. Με την πίεση του διακόπτη του πυρσού, ταυτοχρόνως παρέχεται ηλεκτρικό ρεύμα για συγκόλληση, δηλαδή υπάρχει τάση στα άκρα και τίθεται σε λειτουργία ο χρονοδιακόπτης.
Ο πυρσός που διαθέτει είναι αερόψυκτη και πρέπει να δοθεί η δέουσα προσοχή ώστε να μην υπερθερμαίνεται το ηλεκτρόδιο. Συνιστάται η συγκόλληση μικρών ραφών σε ελάσματα μικρού πάχους. [19]
Ο εξοπλισμός της μεθόδου GTAW περιλαμβάνει:
Τον καυστήρα συγκόλλησης (σχήμα 2.1).
Τη μηχανή συγκόλλησης
Το ηλεκτρόδιο (πίνακας 2.1).
Το μέταλλο προσθήκης.
Το προστατευτικό αέριο (σχήματα 2.2 και 2.3).
Καυστήρας
Υπάρχουν διάφοροι τύποι καυστήρων ανάλογα με την επιθυμητή εφαρμογή. Το πιστόλι συγκόλλησης μπορεί να προορίζεται για αυτοματοποιημένο ή χειροκίνητο χειρισμό. Άλλα είναι υδρόψυκτα και άλλα αερόψυκτα ενώ μερικά φέρουν και βαλβίδες για τη ρύθμιση της παροχής του αερίου προστασίας. Συνήθως, τα αερόψυκτα καυστήρες χρησιμοποιούνται για συγκολλήσεις στις οποίες η ένταση του
15 ηλεκτρικού ρεύματος είναι σχετικά χαμηλή (200 Α) ενώ για υψηλότερες εντάσεις (έως 600 Α) απαιτούνται υδρόψυκτοι καυστήρες. Ο καυστήρας συγκόλλησης είναι συνδεδεμένο με τη μηχανή συγκόλλησης μέσω καλωδίων ενώ με την μονάδα παροχής αερίου (και νερού σε περίπτωση υδρόψυκτου καυστήρα) μέσω δικτύου σωληνώσεων.
Τα εσωτερικά μεταλλικά τμήματα του καυστήρα είναι κατασκευασμένα από ισχυρά κράματα χαλκού ή χαλκού-ψευδαργύρου διότι τα παραπάνω εξασφαλίζουν την απαραίτητη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Το ηλεκτρόδιο βολφραμίου πρέπει να στηρίζεται στιβαρά στο κέντρο του ακροφύσιου συγκόλλησης μέσω ενός κυλινδρικού σφιγκτήρα .
Ο σφιγκτήρας απαιτείται να είναι κατάλληλου μεγέθους ώστε να εξασφαλίζει την ύπαρξη αρκετού χώρου στην περίμετρο του ηλεκτροδίου για την διοχέτευση του αδρανούς αερίου. Το μέγεθος του σφιγκτήρα και κατ’επέκταση του ακροφύσιου είναι ανάλογο της διαμέτρου του ηλεκτροδίου. Επειδή το ακροφύσιο πρέπει να έχει μικρή θερμική αγωγιμότητα κατασκευάζεται από σύνθετα υλικά ( πολυμερή ή κεραμικά).Το εξωτερικό τμήμα του καυστήρα είναι κατασκευασμένο από ειδικά θερμομονωτικά και ηλεκτρομονωτικά πλαστικά τα οποία περιβάλλουν τα μεταλλικά τμήματα του εσωτερικού τμήματος του καυστήρα και παρέχουν προστασία στον χειριστή.
Σχήμα 2.1 Τομή υδρόψυκτου καυστήρα συγκόλλησης GTAW.
16 Πηγή ρεύματος
Η GTAW χρησιμοποιεί μηχανή συγκόλλησης σταθερού ρεύματος. Αυτό σημαίνει πως η ένταση του ρεύματος (και κατ’επέκταση η προσδιδόμενη θερμότητα) παραμένει σχετικά σταθερή ακόμη και αν το μήκος του τόξου ή η τάση μεταβληθούν.
Το ανωτέρω γεγονός είναι ιδιαίτερα σημαντικό, δεδομένου ότι πρόκειται κατά κύριο λόγο για χειροκίνητη ή ημιαυτοματοποιημένη διαδικασία με το συγκολλητή να χειρίζεται το καυστήρα συγκόλλησης. Στην περίπτωση όπου η μηχανή συγκόλλησης είναι σταθερής τάσης, προκαλεί δραματικές αλλαγές στην παρεχόμενη θερμότητα και δυσχεραίνει τη διατήρηση σταθερού μήκους τόξου.
Η επιλογή της πολικότητας του ρεύματος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το μέταλλο που πρόκειται να συγκολληθεί. Συνεχές ρεύμα με αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο (DCEN) χρησιμοποιείται συχνά σε συγκολλήσεις χάλυβα, τιτανίου και άλλων μετάλλων καθώς και σε αυτοματοποιημένες συγκολλήσεις GTAW αλουμινίου ή μαγνησίου όταν χρησιμοποιείται το ήλιο ως αέριο προστασίας. Το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο παράγει θερμότητα εκπέμποντας ηλεκτρόνια τα οποία κινούνται κατά μήκος του τόξου προς το τεμάχιο, προκαλώντας ιονισμό του προστατευτικού αερίου και αυξάνοντας την θερμοκρασία του μετάλλου βάσης.
Συνεχές ρεύμα με θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο (DCEP) χρησιμοποιείται λιγότερο και οι εφαρμογές του περιορίζονται κυρίως σε συγκολλήσεις μικρού πάχους εφ’όσον παράγεται λιγότερη θερμότητα στο μέταλλο βάσης. Σε αντίθεση με τη DCEN, στην περίπτωση θετικά φορτισμένου ηλεκτροδίου, τα ηλεκτρόνια κινούνται από το μέταλλο βάσης προς το ηλεκτρόδιο με αποτέλεσμα το τελευταίο να υπερθερμαίνεται.
Προκειμένου να μπορεί να διατηρήσει την μορφή και τη σκληρότητα του, επιλέγεται ηλεκτρόδιο μεγαλύτερων διαστάσεων.
Καθώς τα ηλεκτρόνια κινούνται προς το ηλεκτρόδιο, το ιονισμένο αέριο προστασίας κινείται προς το μέταλλο βάσης, αφαιρώντας οξείδια και άλλες ακαθαρσίες που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας και ως εκ τούτου βελτιώνει την ποιότητα της συγκόλλησης.
17 Εναλλασσόμενο ρεύμα χρησιμοποιείται συχνά στις χειροκίνητες ή ημιαυτοματοποιημένες συγκολλήσεις μαγνησίου και αλουμινίου. Η περίπτωση του εναλλασσόμενου ρεύματος συνδυάζει τις δυο περιπτώσεις συνεχούς ρεύματος, με το ηλεκτρόδιο και το μέταλλο βάσης να εναλλάσσουν θετικό και αρνητικό φορτίο.
Κατ’αυτό τον τρόπο, η ροή των ηλεκτρονίων εναλλάσσεται συνεχώς αποτρέποντας την υπερθέρμανση του ηλεκτροδίου και διατηρώντας ταυτόχρονα τα κατάλληλα επίπεδα θερμότητας στο μέταλλο βάσης. Τα οξείδια που δημιουργούνται κατά τη διαδικασία αφαιρούνται και πάλι στο χρονικό διάστημα που το ηλεκτρόδιο είναι θετικά φορτισμένο ενώ το μέταλλο βάσης θερμαίνεται πιο έντονα όταν το ηλεκτρόδιο είναι αρνητικά φορτισμένο.
Ηλεκτρόδιο.
Τα ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται στη GTAW είναι είτε καθαρού βολφραμίου είτε κάποιου κράματος βολφραμίου. Το βολφράμιο έχει το υψηλότερο σημείο τήξης απ’όλα τα μέταλλα (3422οC) και για αυτό τον λόγο το ηλεκτρόδιο στην GTAW (σε αντίθεση με τις άλλες μεθόδους συγκόλλησης) είναι μη αναλισκόμενο.
Η διάμετρος των ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται στην GTAW κυμαίνεται από 1.25 μέχρι 6.25 mm ενώ το μήκος τους από 75 μέχρι 610 mm.
Τα ευρύτερα χρησιμοποιούμενα ηλεκτρόδια διακρίνονται σε:
Καθαρού βολφραμίου (WP ή EWP). Πρόκειται για σχετικά φθηνά ηλεκτρόδια γενικής χρήσεως με χαμηλή θερμική αντίσταση και εκπομπή ηλεκτρονίων.
Βρίσκουν περιορισμένες εφαρμογές σε συγκολλήσεις μαγνησίου και αλουμινίου εναλλασσόμενου ρεύματος.
Κράματος βολφραμίου και οξειδίου του δημητρίου (Cerium Oxide, EWCe). Το οξείδιο του δημητρίου ως κραματικό στοιχείο βελτιώνει τη σταθερότητα του τόξου και βοηθάει το άναμμα του ενώ ταυτόχρονα αποτρέπει την οξείδωση του ηλεκτροδίου λόγω υπερθέρμανσης (burn-off). Η προσθήκη οξειδίου του δημητρίου δεν είναι όσο αποτελεσματική είναι η προσθήκη θορίου αλλά το οξείδιο του δημητρίου δεν είναι ραδιενεργό.
18
Κράματος βολφραμίου και οξειδίου του λανθανίου (EWLa). Το κράμα αυτό έχει παρόμοια χαρακτηριστικά με το κράμα βολφραμίου-οξειδίου του δημητρίου.
Προσθήκη 1% λανθανίου έχει τις ίδιες επιπτώσεις με προσθήκη 2% δημητρίου.
Κράματος βολφραμίου και θορίου (EWTh). Τα κράματα αυτά προορίζονται για συγκολλήσεις με συνεχές ρεύμα και μπορούν να αντέξουν σχετικά υψηλότερες θερμοκρασίες από τα υπόλοιπα ηλεκτρόδια. Ταυτόχρονα παρουσιάζουν εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά όπως μεγαλύτερη εκπομπή ηλεκτρονίων, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, μεγαλύτερη αντίσταση σε απορρόφηση ακαθαρσιών από το περιβάλλον, ευκολότερο άναμμα τόξου ενώ και το ίδιο το τόξο είναι σταθερότερο. Το κυριότερο μειονέκτημα των ηλεκτροδίων βολφραμίου-θορίου είναι ότι το θόριο είναι ραδιενεργό στοιχείο και επομένως απαιτείται εξαιρετική προσοχή ούτως ώστε να αποφευχθεί εισπνοή ρινισμάτων θορίου κατά την προετοιμασία των ηλεκτροδίων.
Κράματος βολφραμίου και οξειδίου του ζιρκονίου (EWZr). Αυξάνουν το περιθώριο αντοχής σε υψηλότερες εντάσεις ρεύματος, βελτιώνουν τη σταθερότητα και διευκολύνουν το άναμμα του τόξου ενώ ταυτόχρονα αυξάνουν τη διάρκεια ζωής του ηλεκτροδίου. Το μειονέκτημα τους συγκριτικά με τα ηλεκτρόδια βολφραμίου-θορίου είναι το χαμηλότερο σημείο τήξης.
Πινάκας 2.1 Επιλογή ηλεκτροδίου βολφραμίου.
19 Μεταλλο προσθήκης
Μέταλλο προσθήκης χρησιμοποιείται σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις GTAW με κυριότερη εξαίρεση τη συγκόλληση δοκιμίων μικρού πάχους (συνήθως πάχους μικρότερου από 3,2mm). Ανάλογα με τις ανάγκες της εκάστοτε συγκόλλησης επιλέγεται το κατάλληλο μέταλλο προσθήκης. Συνήθως διατίθενται σε ράβδους διαφόρων διαμέτρων οι οποίες προστίθενται στη λίμνη συγκόλλησης με το χέρι αν και σε ορισμένες περιπτώσεις είναι αναγκαία η προσθήκη τους με αυτοματοποιημένο τρόπο.
Προστατευτικό αέριο
Όπως όλες οι τεχνικές συγκόλλησης με προστασία αδρανούς αερίου, έτσι και η GTAW χρησιμοποιεί αδρανή αέρια (ήλιο, αργό ή κάποιο μίγμα τους) προκειμένου να προφυλάξει την περιοχή συγκόλλησης από τις δυσμενείς επιπτώσεις της επαφής της τελευταίας με αέρια της ατμόσφαιρας όπως άζωτο και οξυγόνο. Τα αέρια προστασίας διοχετεύονται αρχικά από τη φιάλη αερίου στο καυστήρα συγκόλλησης και εν συνεχεία στη λίμνη τηγμένου μετάλλου.
Η επιλογή του αδρανούς αερίου εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως το μέταλλο που συγκολλείται, τον τύπο σύνδεσης και την επιθυμητή μορφή της τελικής συγκόλλησης.
Το αργό είναι το ευρύτερα χρησιμοποιούμενο αδρανές αέριο στη GTAW αφενός λόγω του χαμηλού του κόστους και αφετέρου λόγω των χημικών ιδιοτήτων του, που ευνοούν την συγκόλληση. Η χημική του σύσταση διευκολύνει τη δημιουργία τόξου πλάσματος περισσότερο από κάθε άλλο αδρανές αέριο ενώ ταυτόχρονα το αργό είναι βαρύτερο από τον ατμοσφαιρικό αέρα, οπότε τον εκτοπίζει, προστατεύοντας βέλτιστα την περιοχή συγκόλλησης. Η χρήση του αργού σε συνδυασμό με εναλλασσόμενο ρεύμα οδηγεί σε υψηλή ποιότητα συγκόλλησης και καλή εμφάνιση.
Το ήλιο χρησιμοποιείται περισσότερο σε περιπτώσεις όπου απαιτείται συγκόλληση μεγάλης διείσδυσης, αυξημένης ταχύτητας ή συγκόλληση μετάλλων αυξημένης
20 θερμικής αγωγιμότητας , όπως αλουμίνιο και χαλκός. Το κυριότερο μειονέκτημα της χρήσης ηλίου ως αέριο προστασίας έγκειται στη δυσκολία ανάμματος και διατήρησης σταθερού τόξου γεγονός που οδηγεί σε συγκόλληση μειωμένης ποιότητας.
Μίγματα ηλίου-αργού χρησιμοποιούνται ευρέως στις συγκολλήσεις GTAW διότι παρέχουν την δυνατότητα ρύθμισης της παρεχόμενης θερμότητας ενώ ταυτόχρονα διατηρούνται τα πλεονεκτήματα από τη χρήση του αργού. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα μίγματα αυτά περιέχουν σε μεγαλύτερο ποσοστό ηλιο (περί το 75%).
Μίγματα αυτής της κατηγορίας αυξάνουν την ταχύτητα και την ποιότητα συγκόλλησης αλουμινίου με χρήση εναλλασσόμενου ρεύματος και επίσης διευκολύνουν το άναμμα του τόξου.
Σχήμα 2.2 Επίδραση του είδους του προστατευτικού αερίου στην διαμόρφωση του κορδονιού κατά τη συγκόλληση GTA.
2.2 Περιγραφή παραμέτρων της μεθόδου συγκόλλησης GTAW
Οι βασικοί παράμετροι συγκόλλησης με τη μέθοδο GTA είναι:
Το είδος της έντασης ρεύματος.
Η τάση του τόξου.
Η ταχύτητα συγκόλλησης.
Το είδος και η ένταση ροής του προστατευτικού αερίου.
Η χημική σύσταση του ηλεκτροδίου.
Η διάμετρος του ηλεκτροδίου.
Τα πρόσθετα εναποτιθέμενα υλικά.
21
Η συχνότητα του ρεύματος.
Η κλήση του κώνου του άκρου του ηλεκτρόδιου.
Η απόσταση του εσωτερικού ακροφυσίου από το μέταλλο βάσης .
Το μήκος τόξου.
Η συγκόλληση με τη μέθοδο GTA διενεργείται με συνεχές και εναλλασσόμενο ρεύμα.H συγκόλληση με συνεχές ρεύμα μπορεί να έχει πορεία με θετική και αρνητική πολικότητα. Όταν το ηλεκτρόδιο είναι συνδεδεμένο με το θετικό πόλο (θετική πολικότητα), η έντονη ροή των ηλεκτρονίων στο ηλεκτρόδιο, με την κρούση τους στην πυρωμένη επιφάνεια του άκρου, προξενεί σημαντική θέρμανση, περιορίζοντας, σε μεγάλο βαθμό, την επιτρεπόμενη ένταση του ρεύματος συγκόλλησης. Γι' αυτό για να μεταφερθεί η ένταση ρεύματος με θετική πολικότητα, το ηλεκτρόδιο πρέπει να έχει μεγαλύτερη διάμετρο απ' oτι κατά τη σύνδεση του με τον αρνητικό πόλο.
Η σύνδεση του ηλεκτροδίου με τον αρνητικό πόλο (αρνητική πολικότητα) γίνεται κατά τη συγκόλληση στην ατμόσφαιρα αργού ή ηλίου συνήθως όλων των μετάλλων και κραμάτων τους, με εξαίρεση τα λεπτά ελάσματα του αλουμινίου και των κραμάτων του καθώς και τα κράματα μαγνησίου.
Στην περίπτωση συγκόλλησης αλουμινίου και μαγνησίου, απαραίτητη είναι η αφαίρεση του πυρίμαχου στρώματος των οξειδίων από την επιφάνεια της περιοχής συγκόλλησης του αντικειμένου, αλλά τότε απαιτείται θετική πολικότητα του ηλεκτροδίου, στην οποία συμβαίνει ο καθοδικός καθαρισμός. Άλλη λύση είναι η χρησιμοποίηση συνεχούς ρεύματος με αρνητική πολικότητα (αρνητικός πόλος στο ηλεκτρόδιο) και με πάρα πολύ μεγάλη ακρίβεια ο μηχανικός ή ο χημικός καθαρισμός της σύνδεσης αμέσως προ της συγκόλλησης. Από την άποψη της δυνατότητας επίτευξης σημαντικού βάθους διείσδυσης και μεγάλης ταχύτητας συγκόλλησης, στην περίπτωση σύνδεσης ελασμάτων πάχους πάνω από 3,2 mm, προτείνεται η συγκόλληση με συνεχές ρεύμα και αρνητική πολικότητα στην ατμόσφαιρα αργού, με μικρό τόξο κάτω από 1,5 mm. Στην ατμόσφαιρα με καθαρό ήλιο, και με τη διατήρηση μικρού τόξου, κάτω από 3,0 mm, παρέχεται η δυνατότητα συγκόλλησης αλουμινίου και μαγνησίου και των κραμάτων τους, με συνεχές
22 ρεύμα, με αρνητική πολικότητα (στο ηλεκτρόδιο αρνητικός πόλος), χωρίς μηχανικό ή χημικό καθαρισμό του στρώματος των οξειδίων.
Η συγκόλληση με εναλλασσόμενο ρεύμα επιτρέπει την αξιοποίηση των πλεονε- κτημάτων της συγκόλλησης με συνεχές ρεύμα και θετική πολικότητα (φαινόμενο διάσπασης του στρώματος οξειδίων επί της επιφανείας), χωρίς ειδικούς περιορισμούς του ρεύματος, που απαιτούνται κατά τη συγκόλληση με συνεχές ρεύμα, με θετική πολικότητα. Κατώτερη είναι, όμως η σταθερότητα του τόξου και, επιπλέον, εμφανίζεται το φαινόμενο ανόρθωσης του ρεύματος(σχήμα 2.4). Στο αναμμένο τόξο στην ατμόσφαιρα αδρανών αερίων, το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται με μεγαλύτερη ευκολία από το αρνητικό ηλεκτρόδιο στο θετικό αντικείμενο, επειδή το βολφράμιο έχει σημαντικά υψηλότερη θερμοκρασία απ' ό,τι το συγκολλούμενο μέταλλο και, έτσι, εκπέμπει ευκολότερα τα ηλεκτρόνια.
Η ανόρθωση του εναλλασσόμενου ρεύματος μπορεί να φτάσει σε τέτοια κατάστα- ση, που θα παύσει να γίνεται η διέλευση του ρεύματος με θετική πολικότητα του ηλεκτροδίου. Κατά τη συγκόλληση αλουμινίου η μορφή του ρεύματος παραμορφώνεται με τη σταθερά συνιστώσα του συνεχούς ρεύματος.
Ο χρόνος t1 και η ένταση Ι1 του ρεύματος με θετική τιμή έχουν σημαντικά μεγαλύ- τερες τιμές από τις αντίστοιχες t2και Ι2 του ρεύματος με τιμή αρνητική, ενώ ο χρόνος to είναι τόσο μεγάλος, που το τόξο δεν μπορεί να ανάψει ξανά με μειωμένη ένταση. Για το λόγο αυτό η συσκευή συγκόλλησης είναι εφοδιασμένη με συστοιχία πυκνωτών ή με συσσωρευτή, με σκοπό την εξάλειψη αυτών των αρρυθμιών, καθώς και με ιονιστή ο οποίος προξενεί το άναμμα του τόξου με μικρής διάρκειας παλμούς και με πάρα πολύ μεγάλη τάση τη στιγμή διέλευσης των ημιτονοειδών του ρεύματος από το μηδέν. H συγκόλληση με παλμικό συνεχές ρεύμα συνίσταται στην παλμική προσαγωγή της θερμότητας στο τόξο. Οι παλμοί του ρεύματος συγκόλλησης επαναλαμβάνονται κυκλικά (σχήμα 2.4).
23 Σχήμα 2.3 Η πορεία εναλλαγής της έντασης ρεύματος συγκόλλησης GTA με παλμικό ρεύμα.
Σκοπός του βασικού ρεύματος είναι η διατήρηση του τόξου και η μείωση της ταχύτητας ψύξης των διάφορων σημειακών κολλήσεων, δημιουργούμενων από τους διαδοχικούς παλμούς του ρεύματος. Η συνεχόμενη κόλληση αποτελείται από τις συμβαίνουσες διαδοχικές σημειακές κολλήσεις.
Μεταβάλλοντας τις παραμέτρους του παλμικού ρεύματος, είναι δυνατόν να ρυθμισθούν, με αποτελεσματικό τρόπο, η μορφή και οι διαστάσεις του λουτρού συγκόλλησης, ώστε να επιδράσουν στην κρυστάλλωση του τήγματος και στο πλάτος της ζώνης επηρεαζόμενης θερμικά και να μειωθούν σημαντικά οι τάσεις και οι παραμορφώσεις συγκόλλησης. Κατά τη συγκόλληση με παλμικό ρεύμα, είναι δυνατόν με τη μέθοδο GTA να γίνει η συγκόλληση σε όλες τις θέσεις, με τις ίδιες παραμέτρους συγκόλλησης.
Η συγκόλληση με συνεχές παλμικό ρεύμα είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος σύνδεσης ελασμάτων πάχους από 0,1 μέχρι 0 , 6 mm. Η συγκόλληση με παλμικό ρεύμα με τη μέθοδο GTA διενεργείται χειρωνακτικά ή αυτόματα, με ή χωρίς πρόσθετο εναποτιθέμενο υλικό, χάρη της δυνατότητας ελέγχου της κρυστάλλωσης της κόλλησης και της ταχύτητας ψύξης της σύνδεσης, είναι σημαντικά εκτεταμένες οι περιοχές δυνατοτήτων για τη συγκόλληση υλικών. Υπάρχει και δυνατότητα περιορισμού ακόμη και εξάλειψης των θερμικών κατεργασιών πριν και μετά τη συ- γκόλληση. Ιδιαίτερα ωφέλιμα αποτελέσματα επιτυγχάνονται κατά τη συγκόλληση
24 ελαφρά κραματωμένων χαλύβων υψηλής αντοχής, ειδικών χαλύβων, κραμάτων νικελίου, τανταλίου, νιοβίου και άλλων.
Η ένταση ρεύματος είναι καθοριστική για το βάθος διείσδυσης και το πλάτος της κόλλησης, αλλά συγχρόνως επιδρά και στη θερμοκρασία του άκρου του μη τηκόμενου ηλεκτροδίου. Η αύξηση της έντασης του ρεύματος συγκόλλησης μεγαλώνει το βάθος διείσδυσης και επιτρέπει την αύξηση της ταχύτητας συγκόλλησης. Η υπερβολική ένταση του ρεύματος προξενεί στο άκρο του ηλεκτροδίου βολφραμίου μερική τήξη,έτσι εμφανίζονται στην κόλληση μεταλλικά εγκλείσματα.
Η τάση του τόξου, είναι ανάλογα με το είδος του προστατευτικού αερίου, αποφασιστική για το είδος του τόξου καθώς και για τη μορφή της κόλλησης. Για την ακρίβεια, εξαρτάται από τη χρησιμοποιούμενη ένταση του ρεύματος και το είδος του υλικού του ηλεκτροδίου.
Η αύξηση της τάσης του τόξου διευρύνει το πλάτος του μετώπου της κόλλησης, μειώνει το βάθος διείσδυσης και, έτσι, χειροτερεύουν οι συνθήκες προστασίας του τόξου και του ρευστού μετάλλου της κόλλησης. Το αργό έχει χαμηλό δυναμικό ιονισμού - 15.7 V και το τόξο διατηρείται σταθερά αναμμένο. Το δυναμικό ιονισμού του ηλίου είναι σημαντικά υψηλότερο και ισούται με 24,6 V, άρα με το ίδιο μήκος τόξου, που έχει και το προστατευτικό αργό, δημιουργείται σημαντική αύξηση της πτώσης της τάσεως, ως αποτέλεσμα, το τόξο στο προστατευτικό ήλιο είναι λιγότερο σταθερό.
Οι πηγές του ρεύματος συγκόλλησης με τη μέθοδο GTA πρέπει να έχουν χαρακτηριστική με απότομη φθίνουσα πορεία, έτσι που η τάση του τόξου να είναι βασική αποτελεσματική παράμετρος, εξαρτώμενη από την καθορισμένη ένταση του ρεύματος συγκόλλησης, το μήκος του τόξου και το είδος του.
Η ταχύτητα συγκόλλησης, με σταθερή ένταση ρεύματος και τάση του τόξου, είναι αποφασιστική για τη γραμμική ενέργεια συγκόλλησης. Μεταβάλλοντας την ταχύτητα συγκόλλησης, είναι δυνατόν να ρυθμιστεί η δομή της κόλλησης και το
25 μέγεθος κατανομής των τάσεων και παραμορφώσεων συγκόλλησης. Η ταχύτητα συγκόλλησης επιδρά συγχρόνως στη διείσδυση και στο πλάτος της κόλλησης .Η παράμετρος αυτή, είναι επίσης σημαντική από την άποψη του κόστους της δια- δικασίας συγκόλλησης.
Tα βασικά προστατευτικά αέρια που χρησιμοποιούνται, για τη συγκόλληση με τη μέθοδο GTA , είναι τα αδρανή αέρια Ar και He ή το μίγμα αυτών, με ενδεχόμενη προσθήκη υδρογόνου (Η2)
Μερικές φορές στο αδρανές αέριο προστίθεται το άζωτο, σκοπός του οποίου είναι η αύξηση της θερμοκρασίας του τόξου, που βοηθάει τη συγκόλληση να γίνεται με μεγαλύτερη ταχύτητα. Αυτό είναι ωφέλιμο, επειδή απαιτούνται μεγάλες ταχύτητες για τη συγκόλληση του χαλκού και των κραμάτων του, χωρίς αρχική προθέρμανση.
Άλλες αντιδράσεις των προστατευτικών αερίων, όπως του CO2, προξενούν την ταχεία φθοράτου ηλεκτροδίου ή τη μη σταθερότητα του τόξου.Σε καμιά περίπτωση δεν πρέπει να χρησιμοποιηθούν προσθήκες CO ή Ο2 στο αργό ή στο ήλιο, επειδή τότε προξενείτε ταχεία φθορά του ακριβού, μη τηκόμενου ηλεκτροδίου. Το προστατευτικό αέριο, εκτός από την κάλυψη του λουτρού συγκόλλησης από τον επιβλαβή ατμοσφαιρικό αέρα, λειτουργεί, επιπλέον, καθοριστικά και για τη γραμμική ενέργεια συγκόλλησης (τάση του τόξου) για τη διαμόρφωση της κόλλησης και για τη χημική σύνθεση του εναπότιθέμενου υλικού. Οι βασικές φυσικές ιδιότητες των προστατευτικών αερίων, που επιδρούν αποφασιστικά στη διαδικασία συγκόλλησης με τη μέθοδο GTA είναι:
Το δυναμικό ιονισμού.
Η θερμική αγωγιμότητα .
Το ειδικό βάρος.
Το σημείο ζέσεως.
Η διάσπαση και οι παραλλαγές του αερίου.
Το δυναμικό ιονισμού προστατευτικού αερίου είναι αποφασιστικό για τη διευκόλυνση του ανάμματος του τόξου, για την αγωγιμότητα του ρεύματος διά του τόξου (αντίσταση του τόξου) και για την τάση του τόξου. Έτσι το άναμμα του
26 τόξου είναι σημαντικά ευκολότερο και σταθερότερο στην ατμόσφαιρα του αργού από ότι του ηλίου. Οι χαμηλότερες τάσεις του αναμμένου τόξου στην ατμόσφαιρα αργού είναι ωφελιμότερες κατά τη συγκόλληση συνδέσεων με μικρό πάχος.
Μικρότερες είναι επίσης και οι μεταβολές της τάσης του τόξου, όταν μεταβάλλεται το μήκος του τόξου. Άρα η προστασία με ήλιο δεν προτείνεται για τη χειρωνακτική συγκόλληση, επειδή ακόμη και με μικρές μεταβολές του μήκους του τόξου προξενούνται σημαντικές μεταβολές στην τάση του τόξου και, ως αποτέλεσμα αυτού, στην ποσότητα της προσαγόμενης θερμότητας στη συγκολλούμενη σύνδεση.
Το υψηλό δυναμικό ιονισμού του ηλίου αυξάνει σημαντικά την ενέργεια του τό- ξου. Αυτό είναι ιδιαίτερα ωφέλιμο κατά τη συγκόλληση ελασμάτων μεγάλου πάχους ή μετάλλων με υψηλή θερμική αγωγιμότητα, όπως το αλουμίνιο, το μαγνήσιο και ο χαλκός. Η προστασία με ήλιο προτείνεται, επίσης, για τη μηχανοποιημένη συγκόλληση, με μεγάλες ταχύτητες συγκόλλησης συνδέσεων αποτελούμενων από χάλυβες ανθεκτικοί στη διάβρωση. Επειδή η τάση του καλυμμένου τόξου με ήλιο είναι πάρα πολύ «ευαίσθητη» ακόμη και σε πολύ μικρές μεταβολές του μήκους του τόξου, για την αυτόματη συγκόλληση GTA χρησιμοποιείται αποκλειστικά ήλιο ή μίγμα ηλίου με αργό, ενώ η τάση του τόξου είναι η βασική παράμετρος αξιοποίησης για την καθοδήγηση της διαδικασίας συγκόλλησης.
Η θερμική αγωγιμότητα του προστατευτικού αερίου είναι αποφασιστική για τη διαμόρφωση του κορδονίου της κόλλησης. Το ήλιο χαρακτηρίζεται με ιδεώδη θερμική αγωγιμότητα, που έχει ως αποτέλεσμα η στήλη του τόξου GTA να είναι πλατιά, η προσαγώμενη θερμότητα να εξαπλώνεται σε μεγαλύτερη περιοχή και η κόλληση να είναι πλατιά, ρηχή, ομαλή και επίπεδη. Το αργό είναι αέριο με πολύ χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Κατ' επέκταση, το προστατευόμενο τόξο με αργό έχει θερμό και στενό πυρήνα και σημαντικά πιο κρύα την εξωτερική ζώνη. Η κόλληση έχει βαθύτερη διείσδυση και στενότερο μέτωπο από ό,τι κατά τη συγκόλληση στο ήλιο.
27 Το ειδικό βάρος του αερίου παίζει ρόλο όσον αφορά στο βαθμό προστασίας του λουτρού συγκόλλησης. Το αργό είναι 10 φορές πιο βαρύ από το ήλιο και 1,5 φορά από τον αέρα. Για τη σωστή προστασία του χώρου συγκόλλησης από την εισχώρηση του αέρα, απαιτείται μεγαλύτερη μείωση της έντασης ροής του αργού από ό,τι του ηλίου. Ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη τεχνική συγκόλλησης, τη μορφή της σύνδεσης και το είδος του συγκολλούμενου μετάλλου, προτείνεται συνήθως ένταση ροής του αργού της τάξεως των 6-16 l/min ενώ για το ήλιο της τάξεως των 14 – 30 1/min.
Συνοψίζοντας, το αργό, σε σχέση με το ήλιο, παρουσιάζει τα ακόλουθα πλεονε- κτήματα:
Ευκολότερο άναμμα του τόξου.
Διευκόλυνση στη σταθερότητα και στο σιγανό άναμμα του τόξου.
Εγγύηση για την ακριβή ρύθμιση των θερμικών συνθηκών συγκόλλησης.
Διευκόλυνση στον καθαρισμό της επιφάνειας της σύνδεσης από το στρώμα των οξειδίων, κατά τη συγκόλληση με συνεχές ρεύμα θετικής πολικότητας και με εναλλασσόμενο ρεύμα.
Απαιτεί μικρότερη ένταση ροής για εγγυημένη προστατευτική ατμόσφαιρα του τόξου.
Το υδρογόνο αναμεμιγμένο με το αργό μεταβάλλει τη χαρακτηριστική του τόξου και αυξάνει την αντίσταση του τόξου και, κατ' αυτόν τον τρόπο, μεγαλώνει η γραμμική ενέργεια συγκόλλησης, αυξάνοντας το βάθος διείσδυσης μέχρι 50% σε σχέση με τη συγκόλληση με καθαρό αργό. Tα μίγματα ηλίου και υδρογόνου, που περιέχουν από 5 μέχρι 30% υδρογόνο, εγγυώνται ακόμη πιο υψηλή τάση του τόξου και, κατ' επέκταση, μεγαλύτερη γραμμική ενέργεια συγκόλλησης απ' ό.τι με την προστασία καθαρού ηλίου.
Η προσθήκη υδρογόνου στο αργό ή στο ήλιο είναι ανεπίτρεπτη κατά τη συγκόλληση αλουμινίου, μαγνησίου, χαλκού και κραμάτων τους, από την άποψη του κινδύνου δημιουργίας πόρων και ρηγμάτων. Κατά τη χειρωνακτική συγκόλληση GTA συνδέσεων από χάλυβα ανθεκτικό στη διάβρωση, με σκοπό την επίτευξη καθαρών
28 κολλήσεων, χωρίς υποκοπές, προτείνεται προσθήκη στο προστατευτικό κάλυμμα του αργού μέχρι 5% υδρογόνο.
Μεγάλη επίδραση στην ταχύτητα συγκόλλησης και στην ποιότητα των κολλήσεων ασκεί η καθαρότητα του προστατευτικού αερίου. Ιδιαίτερα ευαίσθητα στις ακαθαρσίες είναι τα δυσκολοτηκόμενα μέταλλα: το τιτάνιο, το ζιρκόνιο, το ταντάλιο και το νιόβιο. Οι ανθρακούχοι χάλυβες και οι ανοξείδωτοι χάλυβες δεν απαιτούν αέριο με μεγάλη καθαρότητα, ενώ το αλουμίνιο και το μαγνήσιο πρέπει να συγκολλούνται στην προστατευτική ατμόσφαιρα αερίων με καθαρότητα 99,96% μέχρι 99,995%.
Με σκοπό την αποφυγή των ακαθαρσιών από τον αέρα για το ισχυρά θερμαινόμενο μέταλλο της κόλλησης από την πλευρά της ρίζας, κατά τη συγκόλληση του κορδονίου ρίζας της σύνδεσης, πρέπει να προστατευτεί με πρόσθετη προστατευτική ατμόσφαιρα αερίου, αυτός ο χώρος.
Στην περίπτωση συγκόλλησης όλων των μετάλλων με τη μέθοδο GTA στην προστατευτική ατμόσφαιρα της ρίζας, επαρκεί το καθαρό ήλιο ή το αργό. Κατά τη συγκόλληση χαλύβων ανθεκτικών στη διάβρωση, χαλκού και κραμάτων του, επαρκεί προστατευτική ατμόσφαιρα της ρίζας, την οποία παρέχει το άζωτο. Προ- τεινόμενες εντάσεις ροής προστατευτικού αερίου είναι 0,5 μέχρι 30 I/min, ανάλογα με τη μορφή της σύνδεσης, το είδος της κατασκευής, τις κατασκευαστικές λύσεις των θαλάμων ή προστατευτικών καναλιών, όπως και τον όγκο του θαλάμου, από τον οποίο πρέπει να γίνει η εκκένωση του αέρα.
Κατά κανόνα, επιβάλλεται το φύσημα όλου του όγκου να γίνει τέσσερεις φορές με το προστατευτικό αέριο. Μετά το φύσημα του αέρα, πρέπει να μειωθεί η ένταση ροής του προστατευτικού αερίου στο επίπεδο, που επιβάλλει η προστασία της σύνδεσης, δηλαδή με ελαφρά υπερπίεση από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Στην περίπτωση συγκόλλησης μετωπικών συνδέσεων σωλήνων, σημαντική είναι η χρησιμοποίηση προστατευτικών διαφραγμάτων με δικλίδες εισόδου και εξόδου, με σκοπό την αποφυγή της υπερβολικής πίεσης, κατά τη διάρκεια συγκόλλησης στο μέσο του σωλήνα, έτσι που να μη δημιουργηθεί φύσημα του λουτρού της
